液化场地桩基础的受力与变形特性研究

邓美旭 杜贻腾

(山东科技大学 土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590)

液化场地桩基础的受力与变形特性研究

邓美旭 杜贻腾

(山东科技大学 土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590)

桩基作为建筑物的一种重要基础形式，其应用有着悠久的历史，尽管桩基的设计理论和施工技术不断的提高和完善，但强地震作用下液化土体中桩基发生破坏事故却经常发生，本文主要研究了地震液化引起的地基大变形对地下结构的破坏相关问题、计算模型和计算方法的研究以及分析模型的注意事项。

液化；桩基础；计算模型；分析模型

1 研究背景及意义

地震液化引起的地基大变形对地下结构的破坏是地震液化区地下结构破坏的主要形式之一，特别是对近岸桩基结构将产生严重破坏，这种破坏可导致对结构物的不可修复，严重威胁着公路、铁路、码头及地下生命线工程，从而越来越受到国内外学者的重视。地下浅埋桩体在地震荷载作用下的受力划分为两类：一是地震荷载作用下桩与土体的相互作用所承受的应力，并称为动应力；二是在地震时或地震后，土体发生侧向永久变形(尤其是液化引起的变形)，此时桩体随土体的侧向变形所承受的应力称为附加应力。岸坡场地的土层一般都较软弱，由于有一定的斜坡，土体中的土单元水平面上作用有与斜坡方向一致的静剪应力，使得土体在地震时产生与斜坡方向一致的侧向位移。对于易液化土而言，地震时液化土的抗剪能力极低，剪应变很大，会产生较大的永久变形。

从地震灾害中不难发现，液化导致桩基破坏的案例时有发生，因此液化土层中的桩基振动问题就更是受到很多专家的重视了。近几十年来，随着桩基的普遍使用，尤其是一些国家的地震频发，人们对于液化土层中的桩基的受力与变形等研究也是越来越受到很多人的重视，所以由于地震作用引起的液化土层中受力与变形特性的研究更是一个非常复杂和热点的问题。

2 存在的问题

根据已有的桩基震害资料，桩基震害时常发生，液化场地上桩基受力与变形特性研究是一个理论性和实践性都很强的复杂课题，必须在理论上和实践过程中不断加以完善和发展，由于桩是深入土层的柱型构件，桩基震害不仅与地基地震反应有关，同时建筑结构本身的振动对桩基也会产生很大影响，桩基抗震问题因此变得十分复杂。现行的桩基础抗震设计在很大程度上依赖于经验，桩基理论研究还不够成熟，有待于进一步探索。

2.1 可靠性分析问题

液化条件下桩基可靠性分析应该是目前研究的重点和热点。尤其在液化层交界面处是出现大弯矩与剪力的危险部位，液化层中部的弯曲变形危险较大，基于这一点，应想办法处理液化土中软硬土层交界面处刚度突变引起的桩基应力问题。目前国内外的桩基抗震设计方法中尚未能提供土层刚度变换有关问题的解决方法，因此，进行这方面的数值模拟和振动台实验研究是必要的。在液化侧向位移引起的桩基问题中，有很多学者提出上覆非液化土层以及上部结构的侧向刚度问题，而有些学者在研究此类问题时并没有考虑这一因素的影响，所以上部结构的侧向刚度对桩基础的影响仍需进一步研究和探讨。液化土的动力特性(相对密度、孔压比、剪切模量)对桩基的影响并分析液化引起的地面侧移对桩基的影响，考察其机理，在此基础上建立可液化土层中更合理的桩土相互作用计算模型。

2.2 桩基失效问题

桩基失效因素大致上可以分为两类：其一是砂土液化引起的土体滑移和地基震陷，使得桩体本身产生很大的附加荷载，从而产生很大的内力和变形，导致桩基由于承载力不足或丧失承载力；其二是桩基结构体系本身的设计缺陷。从安全设计角度来看，在地基承载力的评估和安全性分析中应该解决桩基本身缺陷，因此，上部结构的破坏主要是桩基由于地基液化发生侧向大变位和受力变化引起的，进而与上部结构相互作用后在复杂的地震力作用下发生的非线性振动所致。此外，从工程实际角度看，如果能够估计出桩出现屈服时的地面位移或者判断出在给定地面位移下桩基是否破坏，那么这无疑将有助于设计新的桩基以及减轻现有桩基在地震中的损坏。因此需要估计在液化产生的侧向地面位移作用下桩中的最大弯矩，进一步考虑开展桩的几何非线性以及桩和液化土的材料非线性等问题研究。

2.3 桩土相互作用问题

桩土相互作用问题中，土体进入非线性工作状态是导致桩土相互作用非线性反应分析的前提，因此研究桩周液化土的应力应变关系(本构关系)以及液化时孔压的发生和发展规律对桩基的影响是一项很重要的工作。只有建立了土体的本构关系才能得到与实际比较吻合的反应关系。

3 计算模型和计算方法的研究

液化场地桩-土-结构动力相互作用的计算模型和计算方法研究是一个难点。目前理论上解决该问题的思路主要包括：

(1) 假定土的非线性本构模型和孔隙水压力增长模型，在土层有效应力分析基础上建立液化场地桩-土-结构动力相互作用的二维模型及其数值模拟方法。

(2) 基于非线性Winkler地基梁假定的弹簧-阻尼器分析方法，利用非线性弹簧与并联库仑阻尼表示桩-土非线性相互作用、粘滞阻尼器并联线性弹簧反映土层的辐射阻尼作用，近年来有人通过ANSYS建立模型分析非液化土层的桩-土-结构相互作用，进一步建立可液化土层下桩-土-结构相互作用分析方法也是进行理论分析的重要工作。

4 分析模型

(1) 有限元模型

有限元法作为一种重要的数值分析工具，在桩-土地震反应分析中同样发挥着重要作用。它可以方便的考虑土体的性质，桩土间的滑移与脱开。对于水平荷载作用下的柔性桩来说，横向弯曲是其变形的主要特点，通常用空间梁来模拟。在有限元模型中，近场土体用一般的方法进行离散即可，由于地震过程中，能量要向远处散逸，还必须考虑对远场土体进行模拟。

(2) Winkler地基梁模型

为了描述桩基弯曲变形，采用梁模型代表桩。其中Winkler模型的弹簧系数是只与土性有关的常数。实际工程计算中，作用于梁模型上的地基反力系数是弹簧系数与深度相关函数的乘积。与深度有关的函数按不同的取法，可分为张氏法、C法、m法和k法。四种方法的区别在于地基反力系数分布图式不同，在相同的桩、土条件下，以张氏法获得的地基反力为最大，k法的最小，m法和C法两图式则因其地基反力为适中的分布，因此可以适应较多数量的桩、土条件而获得和实测比较接近的结果。

(3) 桩-土-结构相互作用模型

在大数情况下液化土-桩-结构相互作用模型可简化为图2所示，土体分为三层，自上而下依次为表层、液化层和基层，桩基竖直的穿过表层和液化层，达到基层。在地震作用下，位于液化层的土体(绝大多数为饱和砂土)发生液化并产生侧向流动，同时带动位于表层非液化层运动。表层、液化层及液化层运动时，必然对桩基产生侧向作用力。

考虑到上部结构对桩基的作用，液化土侧向扩展对具有轴向力单桩变形影响分析如下：

首先，根据地震的场地液化特征，将土层分为表层的非液化土层，中部的液化土层以及底部的基础层。非液化土层随液化土层的横向扩展发生移动，并对桩产生侧向土压力；液化土层和基础层对桩的作用采用Winkler模型。同时，上部结构对桩基的作用由桩头剪力、轴向压力和弯矩刻画。

其次，将桩等效为Euler梁，采用拟静力分析方法建立液化土体中梁的弯曲边值问题，给出相应的解析解，并通过与相关实验结果的比较，说明此简单封闭解的合理性和有效性。在此基础上，分析了各种参数对桩基变形响应的影响，结果表明：桩基抗弯刚度、液化土层的刚度以及轴力等参数对桩基。

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